李林林+吳建勝+孫良旭+劉國莉+王剛

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)缺乏實際項目背景的綜合性實驗，實驗內(nèi)容彼此獨立，缺乏聯(lián)系，實驗組織形式與實際工程開發(fā)形式不一致。針對上述問題，文章選擇智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為項目背景，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)層次關(guān)系，對實驗內(nèi)容進行按層分組，學(xué)生通過自由組合方式，組織綜合性實驗內(nèi)容，討論實驗軟硬件環(huán)境的搭建，完成相關(guān)實驗。

關(guān)鍵詞： 智能； 家居； 物聯(lián)網(wǎng)； 實驗； 教學(xué)

中圖分類號：TP391.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）12-73-03

Research on IoT experiment teaching for the application of smart home

Li Linlin1， Wu Jiansheng1， Sun Liangxu1， Liu Guoli2， Wang Gang1

（1. School of Software， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning 114051， China；

2. School of Science， University of Science and Technology Liaoning）

Abstract： IoT （Internet of things） experiment teaching lacks the comprehensive experiment of actual project background. The experiment contents are independent and no relations each other. The experiment organization is not consistent with the actual project development organization. Aiming at the above problems， this paper selects the smart home IoT application as the project background， and according to the software and hardware technology hierarchy of IoT， groups the experiment contents by the layers. The students can group by free combination， and organize the comprehensive experiment contents， to discuss the construction of software and hardware environment and fulfill the relevant experiments.

Key words： smart； home； IoT； experiment； teaching

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）實現(xiàn)了物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能設(shè)備、建筑物和嵌入式設(shè)備之間的互聯(lián)。通過嵌入設(shè)備中的電子器件、軟件、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集和交換[1]。

智能家居是對智能建筑中，與居住有關(guān)方面的擴展，通過Wi-Fi和4G等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)對家庭生活各個方面的智能控制。例如溫濕度、光照采集，水浸、煙霧、可燃氣實時監(jiān)控，空調(diào)、熱水器等家電設(shè)備的遠程移動控制，窗簾、照明燈等家居設(shè)備的智能化控制，門禁、紅外和視頻監(jiān)控等安防系統(tǒng)控制等[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)深入到實驗室硬件建設(shè)的各個方面[4-6]，實驗室硬件設(shè)備已經(jīng)很好滿足教學(xué)的需要，但是如何在良好的物聯(lián)網(wǎng)實驗室中，合理的利用現(xiàn)有良好的硬件環(huán)境，科學(xué)組織物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)這個“軟件”問題，一直是困擾物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)實驗教學(xué)的問題。良好的硬件環(huán)境換不來良好的教學(xué)效果，這是必須要解決的問題，實景教學(xué)模式是解決該矛盾的一種新的嘗試[7]。

1 物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)存在的問題

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及豐富的軟硬件技術(shù)，硬件方面主要包括傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，軟件方面主要包括移動開發(fā)技術(shù)、服務(wù)器技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等[3]。除此之外，還需要網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等理論基礎(chǔ)支持。

在實際的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)過程中存在許多問題，主要有以下。

⑴ 實驗內(nèi)容的設(shè)定多以介紹、演示和驗證某一基本技術(shù)原理為主，多種技術(shù)實驗之間彼此獨立，實驗內(nèi)容之間缺乏邏輯聯(lián)系，造成實驗教學(xué)內(nèi)容組織缺乏整體性。

⑵ 實驗內(nèi)容的設(shè)定多采用經(jīng)過人為簡化、脫離實際應(yīng)用的虛擬場景。在此場景下雖然可以完成實驗，但是所完成的任務(wù)與實際應(yīng)用存在較大差別，鍛煉的能力難以達到工程實踐要求。

⑶ 實驗類型比較單一，缺乏有一定規(guī)模的設(shè)計性和綜合性實驗。學(xué)生訓(xùn)練基本還停留在低層次的技術(shù)實現(xiàn)，缺少高層次的項目設(shè)計訓(xùn)練。

⑷ 實驗組織形式多以個人為主，在傳統(tǒng)實驗箱有限功能基礎(chǔ)上完成實驗。由于實驗內(nèi)容難度分量和實驗軟硬件環(huán)境限制，實驗組織形式缺乏團隊成員之間的分工和協(xié)作，與實際工程實踐過程不一致。

2 智能家居應(yīng)用背景

本文認為上述問題的主要原因在于，實驗內(nèi)容設(shè)定沒有一個真實的應(yīng)用背景，不能將所有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過一個綜合案例，按照工程實踐的實際流程和水平要求，進行有效的分解和組合。我們建議以智能家居作為真實的應(yīng)用背景，將智能家居所涉及的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從工程項目需求角度進行分解，按照工程實施邏輯再進行重新組織，充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，對學(xué)生按照團隊模式進行組織，按照實際工程流程進行項目的設(shè)計、實施和驗收。通過采用上述智能家居應(yīng)用背景物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)改革，可以有效解決目前物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)存在的問題，理由如下。

⑴ 實驗內(nèi)容的設(shè)定來至于智能家居應(yīng)用問題的合理分解，彼此保持一定的獨立和聯(lián)系，由問題需求引入技術(shù)解決方案，完成技術(shù)原理的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，符合問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式。

⑵ 智能家居是學(xué)生最熟悉的實際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景，無需進行簡化和虛擬。由于智能家居是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其具有一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都具有的軟硬件技術(shù)。通過完成智能家居應(yīng)用背景的綜合性實驗內(nèi)容，就可以達到實際工程實踐訓(xùn)練的目的和要求。

⑶ 智能家居應(yīng)用需求比較復(fù)雜，涉及的技術(shù)比較多。學(xué)生需要從系統(tǒng)的高層次設(shè)計開始，按照系統(tǒng)分解的設(shè)計思想，先進行功能分解，然后進行低層次任務(wù)實現(xiàn)。

⑷ 由于智能家居應(yīng)用無法通過個人在合理的教學(xué)時間和環(huán)境下完成，所以必須通過團隊形式完成。通過團隊這種形式，可以鍛煉學(xué)生在完成實際工程項目過程中所需要的分工、協(xié)作、溝通和組織等能力。

3 智能家居綜合性實驗設(shè)計和組織實施

將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進行分層分析，可以分為感知層、執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中感知層和執(zhí)行層屬于同一層次。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、可燃氣傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、震動傳感器、紅外柵欄傳感器、人體感應(yīng)傳感器和攝像機等，接收指令，采集和上傳信息。執(zhí)行層由各種執(zhí)行裝置以及執(zhí)行裝置控制器構(gòu)成，包括門禁電磁鎖、電動窗簾、紅外遙控器、燈光開關(guān)等，接收指令，控制執(zhí)行裝置完成動作。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與具體需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)的要求，將綜合性實驗內(nèi)容按照技術(shù)層次進行組織，分為四組，分別為感知層實驗內(nèi)容組、執(zhí)行層實驗內(nèi)容組、網(wǎng)絡(luò)層實驗內(nèi)容組和應(yīng)用層實驗內(nèi)容組。一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及到所有的實驗內(nèi)容分組，各個分組從技術(shù)本身角度是彼此獨立的，但是從技術(shù)應(yīng)用角度又是密切相關(guān)的。感知的信息需要通過網(wǎng)絡(luò)傳達到應(yīng)用，應(yīng)用的決策控制又需要通過網(wǎng)絡(luò)傳達到執(zhí)行設(shè)備。

各個實驗內(nèi)容分組的具體實驗內(nèi)容如圖1所示。

將學(xué)生按照團隊進行組織，要求團隊中成員分別選擇各個層次中的一部分實驗內(nèi)容，所有團隊成員集體完成一項智能家居物聯(lián)網(wǎng)小應(yīng)用。由于各個分層的實驗內(nèi)容從技術(shù)原理上是一致或者類似的，但是技術(shù)應(yīng)用上又有所不同。團隊成員可以根據(jù)個人興趣，通過集體協(xié)商，在每個不同的層次選擇不同的實驗內(nèi)容，通過這樣的組合，可以創(chuàng)建很多相同智能家居背景的、不同需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，示例如表1所示。

這樣的綜合性實驗設(shè)計既可以使實驗內(nèi)容豐富完整，又可以使實驗內(nèi)容存在差異區(qū)別。通過這樣的綜合性實驗設(shè)計，既可以讓所有學(xué)生學(xué)習(xí)到相同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，又可以讓所有學(xué)生學(xué)習(xí)到不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

4 實驗教學(xué)平臺軟硬件環(huán)境構(gòu)建

對于實驗教學(xué)平臺硬件環(huán)境構(gòu)建，為了能夠充分再現(xiàn)智能家居項目背景，購置一定數(shù)量、成本較低、不同類型的傳感器，由團隊根據(jù)設(shè)計方案自由選擇，其他一些數(shù)量較少、成本較高的執(zhí)行設(shè)備或者傳感器，團隊間協(xié)商共享方式使用，這樣首先可以解決感知層和執(zhí)行層的硬件環(huán)境問題。對于無線通信，購置一些不同通信協(xié)議無線通信模塊和路由器，確保在設(shè)置上團隊之間互不干擾。對于有線通信，為了實驗管理方便，提前在實驗室進行合理有序的網(wǎng)絡(luò)布線，團隊只能選擇使用，不能隨意重新布線，這樣又可以解決網(wǎng)絡(luò)層的硬件環(huán)境問題。感知層和執(zhí)行層一半都是獨立的硬件模塊，在了解原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生只需掌握如何使用就可以了，一般實驗不會涉及到硬件本身或協(xié)議本身的開發(fā)。

對于實驗教學(xué)平臺軟件環(huán)境構(gòu)建，主要包括操作系統(tǒng)和開發(fā)工具。在應(yīng)用層上，可以根據(jù)應(yīng)用執(zhí)行的終端類型，又可以分為服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、PC終端和移動終端。不同的終端類型要求不同的軟件環(huán)境。一般來說，對于服務(wù)器，操作系統(tǒng)一般選擇Linux或者Windows，安裝服務(wù)組件，開發(fā)工具一般選擇Eclipse或者Visual Studio開發(fā)工具。對于網(wǎng)關(guān)，多為嵌入式設(shè)備，一般選擇裁剪后的Linux操作系統(tǒng)，為了開發(fā)方便，多采用Windows開發(fā)，Linux部署聯(lián)調(diào)的方式，一般選擇Qt Creator、MinGW和Qt-Opensource-Windows開發(fā)工具。對于PC終端，操作系統(tǒng)一般選擇Windows，PC多以瀏覽器方式對服務(wù)器或者網(wǎng)關(guān)進行信息查看和設(shè)備控制，一般只需要部署應(yīng)用運行環(huán)境即可，不需要安裝開發(fā)工具。對于移動終端，考慮開發(fā)成本，多采用Android操作系統(tǒng)的手機，采用與網(wǎng)關(guān)一樣的開發(fā)方式，一般選擇eclipse開發(fā)工具，安裝J2EE開發(fā)組件完成開發(fā)，然后部署到手機，通過手機APP方式對服務(wù)器或者網(wǎng)關(guān)進行信息查看和設(shè)備控制。

5 結(jié)束語

本文選擇智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景，解決了學(xué)生進行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)缺乏應(yīng)用背景問題，描述了綜合性實驗內(nèi)容的設(shè)計和組織，完成綜合性實驗所需要的軟硬件平臺環(huán)境的構(gòu)建，解決了學(xué)生進行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)和教師進行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)授課所需要的實驗教學(xué)平臺問題。教師可以根據(jù)教學(xué)需要，在該平臺上靈活地進行軟硬件搭配和實驗內(nèi)容組合，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果良好，非常貼近實際的工程項目，達到了工程實踐訓(xùn)練的目的，可以推廣到物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)中。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該平臺還需要在軟硬件上進行升級和擴展，實驗內(nèi)容還需要更新，復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在該平臺的教學(xué)是否可行還需要進一步研究。

參考文獻（References）：

[1] 朱洪波，楊龍祥，朱琦.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進展與應(yīng)用[J].南京郵電大

學(xué)報（自然科學(xué)版），2011.1：1-9

[2] 高同輝，劉東曉.智能家居實訓(xùn)平臺開發(fā)與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)

與管理，2015.7：167-171

[3] 燕妮.淺論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].科技信息，2013.19：81，94

[4] 吳蓬勃，李學(xué)海，楊斐，張金燕.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室研究

與實踐[J].實驗室研究與探索，2015.3：78-85

[5] 安健，桂小林，楊麥順.工程實踐與科技創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)開放實

驗室建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2016.10：245-248

[6] 李光雷，潘慶陽，徐堅，尹合棟.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高職院校實

驗室智能管理平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2016.5：249-252，260

[7] 洪嵐，王佳斌，鄭力新.物聯(lián)網(wǎng)實景實驗教學(xué)系統(tǒng)的探索與建

設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2016.11：172-175